黄銅鉱
黄銅鉱
一般的な
カテゴリ硫化鉱物
式CuFeS 2
IMAシンボル中国共産党[ 1 ]
ストランツ分類2.CB.10a
結晶系正方晶
クリスタルクラス不等辺三角形（4× 2m）HM記号：（4× 2m）
空間群I 4 2d
単位セルa = 5.289 Å、c = 10.423 Å; Z = 4
識別
式量183.54グラム/モル
色真鍮は黄色ですが、虹色の紫がかった変色がある場合があります。
クリスタル習慣主に二蝶形骨で、四面体に似ており、通常は塊状で、ブドウ形になることもあります。
姉妹都市貫通双子
胸の谷間不明瞭 {011}
骨折不規則から不均一
粘り強さ脆い
モース硬度3.5～4
光沢メタリック
連勝緑がかった黒
透けて見える不透明
比重4.1～4.3
光学特性不透明
溶解度HNO 3に可溶
その他の特徴加熱時の磁気
参考文献[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

黄銅鉱（おうこうこう、 / ˌ k æ l k ə ˈ p aɪ ˌ r aɪ t , - k oʊ -/ [ 7 ] [ 8 ] KAL -kə- PY -ryte, -⁠koh-）は、銅鉄硫化鉱物であり、最も豊富な銅鉱石鉱物である。化学式はCuFeS 2で、正方晶系で結晶化する。色は真鍮色から黄金色で、モース硬度は3.5から4である。その条線は緑がかった黒色で特徴的である。[ 9 ]

黄銅鉱は空気にさらされると、様々な酸化物、水酸化物、硫酸塩に変色します。関連する銅鉱物には、硫化物である斑銅鉱（Cu 5 FeS 4）、黄銅鉱（Cu 2 S）、コベライト（CuS）、ダイジェナイト（Cu 9 S 5）、炭酸塩であるマラカイトやアズライト、そして稀に赤銅鉱（Cu 2 O）などの酸化物が含まれます。自然銅と共存することは稀です。黄銅鉱は電気伝導体です。[ 10 ]

黄銅鉱から銅を抽出するには様々な方法があります。主な方法は乾式冶金と湿式冶金の2つで、前者が最も商業的に実現可能です。[ 11 ]

語源

黄銅鉱という名称は、ギリシャ語で銅を意味するchalkosと、火を灯すことを意味するpyritesに由来しています。[ 12 ]歴史的には「黄銅」と呼ばれることもありました。[ 13 ]

識別

黄銅鉱は、黄鉄鉱や金としばしば混同されます。なぜなら、これら3つの鉱物はいずれも黄色がかった金属光沢を持っているからです。これらの鉱物を区別する上で重要な鉱物特性として、硬度と条痕があります。黄銅鉱は黄鉄鉱よりもはるかに柔らかく、ナイフで傷をつけることができますが、黄鉄鉱はナイフで傷をつけることができません。[ 14 ]しかし、黄銅鉱は金よりも硬く、金は純粋であれば銅で傷をつけることができます。[ 15 ]さらに、金は展延性があるのに対し、黄銅鉱は脆いです。[ 12 ]黄銅鉱には、緑色の斑点が入った特徴的な黒い条痕があります。黄鉄鉱には黒い条痕があり、金には黄色い条痕があります。[ 16 ]

化学

黄銅鉱の単位格子。銅はピンク、鉄は青、硫黄は黄色で示されています。
黄銅鉱の顕微鏡写真

天然の黄銅鉱は、他の硫化鉱物との固溶体系列を持たず、閃亜鉛鉱と同じ結晶構造を有するにもかかわらず、亜鉛と銅の置換は限定的である。

銀、金、カドミウム、コバルト、ニッケル、鉛、スズ、亜鉛などの微量元素は（百万分の一レベルで）測定可能であり、銅や鉄の代替として利用される可能性が高い。セレン、ビスマス、テルル、ヒ素も硫黄の代替として微量に存在する可能性がある。[ 17 ]黄銅鉱は酸化されてマラカイト、アズライト、赤銅鉱を形成する。[ 12 ]

構造

黄銅鉱は正方晶系に属します。結晶学的には、黄銅鉱の構造は閃亜鉛鉱（ZnS）（閃亜鉛鉱）の構造と密接に関連しています。[ 18 ]単位胞は2倍の大きさで、隣接する格子のZn 2+イオンがCu +イオンとFe 3+イオンに交互に置換されています。黄鉄鉱の構造とは対照的に、黄銅鉱は二硫化物イオン対ではなく、単一のS 2−硫化物イオンを有します。もう一つの違いは、鉄陽イオンが黄鉄鉱のように反磁性の低スピンFe(II)で はないことです。

結晶構造において、各金属イオンは4つの硫黄陰イオンに四面体配位しており、各硫黄陰イオンは2つの銅原子と2つの鉄原子に結合している。[ 18 ]

パラジェネシス

大きな縞模様の黄鉄鉱の立方体の下にある真鍮黄色の黄銅鉱結晶

黄銅鉱は、さまざまな鉱石形成プロセスを経て、多くの鉱石含有環境に存在します。

黄銅鉱は、火山性塊状硫化物鉱床および堆積性噴出性鉱床に存在し、熱水循環中の銅の沈殿によって形成されます。この環境では、流体輸送によって黄銅鉱が濃縮されます。斑岩銅鉱床は、マグマの上昇と結晶化の過程で花崗岩質ストック内の銅が濃縮されることによって形成されます。この環境における黄銅鉱は、マグマ系内での濃縮によって生成されます。

黄銅鉱は、カンバルダ型コマチアイトニッケル鉱床の副次鉱物であり、硫化物飽和超塩基性溶岩中の非混和性硫化物液から形成されます。この環境下では、硫化物液が非混和性珪酸塩液から銅を剥離することで黄銅鉱が形成されます。

黄銅鉱は青銅器時代以来、最も重要な銅鉱石であった。[ 12 ]

発生

カナダ、オンタリオ州ティミンズにあるポッター鉱山のVMS鉱床から採取された銅・亜鉛鉱石サンプル。黄銅色の鉱物は黄銅鉱で、この鉱山の主産鉱物です。

黄銅鉱は他の鉱物に比べてその構造中に最も多くの銅を含むわけではないが、多くの産地で発見されるため、最も重要な銅鉱石である。黄銅鉱は、オンタリオ州ティミンズのような巨大な鉱塊から、ブロークンヒル、アメリカ山脈、アンデス山脈の斑岩銅鉱床に見られるような花崗岩から閃緑岩の貫入岩に伴う不規則な鉱脈や鉱染帯まで、様々な鉱種で産出する。カナダでこれまでに発見されたほぼ純粋な黄銅鉱の最大の鉱床は、テマガミ緑色岩帯の南端にあり、コッパーフィールズ鉱山で高品位の銅が採掘された場所である。 [ 19 ]

黄銅鉱は、南オーストラリア州のオリンピックダムの超巨大Cu-Au-U 鉱床に存在します。

黄銅鉱は、黄鉄鉱団塊を伴う石炭層や炭酸塩堆積岩中の鉱染として発見されることもある。[ 20 ]

銅の抽出

銅の自溶製錬法、黄銅鉱から銅を抽出する乾式冶金法

銅は主に、乾式冶金法と湿式冶金法という2つの方法で黄銅鉱から抽出されます。最も一般的で商業的に実現可能な[ 11 ]乾式冶金法は、「粉砕、粉砕、浮選、製錬、精錬、電解精錬」の技術を伴います。湿式冶金法では、粉砕、浸出、溶媒抽出、電解採取などの技術が用いられます。特に黄銅鉱の場合、加圧酸化浸出法が用いられます[ 21 ] 。

乾式冶金プロセス

黄銅鉱から銅を抽出する最も重要な方法は乾式冶金です。乾式冶金は、高品位鉱石を用いた大規模かつ銅を豊富に含む操業で一般的に用いられます。[ 22 ]これは、黄銅鉱のようなCu-Fe-S鉱石が水溶液に溶解しにくいためです。[ 23 ]この方法を用いた抽出プロセスは、以下の4段階に分かれます。

  1. フロス浮選法を用いて鉱石から目的の元素を分離し、濃縮する
  2. 濃縮物を精錬して高Cu硫化物マットを作成する
  3. 硫化マットを酸化/変換し、不純な溶融銅を生成する
  4. 得られた銅の純度を高めるために火による精錬と電解採取技術を用いる[ 23 ]

黄銅鉱は直接精錬されない。これは、鉱石が主に経済的価値のない物質、つまり銅の濃度が低い廃石で構成されているためである。廃石が大量に存在するため、鉱石を加熱して溶解するには大量の炭化水素燃料が必要となる。代わりに、フロス浮選法と呼ばれる技術を用いて、まず鉱石から銅を分離する。これは、試薬を用いて銅を撥水性にすることで、銅を浮選セル内で気泡に浮かせて濃縮する技術である。黄銅鉱に含まれる銅の含有量が0.5～2%であるのに対し、フロス浮選法では約30%の銅を含む精鉱が得られる。[ 23 ]

精鉱はその後、マット製錬と呼ばれる工程を経る。マット製錬では、浮選精鉱を1250 ℃の炉で溶融することにより硫黄と鉄を酸化し[ 24 ] 、約45～75%の銅を含む新しい精鉱（マット）を作成する。 [ 23 ]このプロセスは通常、自溶炉で行われる。スラグ材料中の銅の量を減らすために、スラグはSiO2フラックスを添加して溶融状態に保たれ[ 24 ]、精鉱とスラグの混和性を高める。副産物に関しては、マット製錬銅は環境に有害なSO2ガスを生成する可能性があるため、硫酸の形で回収される。反応例は以下のとおりである。[ 23 ] 

  1. 2CuFeS 2 (s) +3.25O 2(g) → Cu 2 S-0.5FeS (l) + 1.5FeO (s) + 2.5SO 2(g)
  2. 2FeO (s) + SiO 2(s) → Fe 2 SiO 4(l) [ 23 ]

転炉工程では、マットを再度酸化処理して硫黄と鉄をさらに除去しますが、生成物は99%が溶融銅です。 [ 23 ]転炉工程は、スラグ形成段階と銅形成段階の2段階で行われます。スラグ形成段階では、鉄と硫黄の濃度はそれぞれ1%未満と0.02%未満まで低減されます。マット精錬から得られた精鉱は転炉に投入され、転炉は回転しながら羽口を通してスラグに酸素を供給します。反応は以下のとおりです。

2FeS (l) + 3O 2(g) + SiO 2(s) → Fe 2 SiO 4(l) + 2SO 2(g) + 熱

銅形成段階では、スラグ段階から生成されたマットは、チャージ（マットを転炉に投入する）、ブローイング（より多くの酸素を吹き込む）、スキミング（粗銅と呼ばれる不純な溶融銅を回収する）を経る。[ 23 ]反応は以下のとおりである。

Cu 2 S (l) + O 2(g) -> 2Cu (l) + SO 2(g) + 熱[ 23 ]

最後に、粗銅は火精錬、電解精錬、またはその両方によって精錬されます。この段階で、銅は高純度の陰極に精製されます。[ 23 ]

湿式冶金プロセス

黄銅鉱は、ほとんどの銅含有鉱物の例外です。ヒープ浸出などを通じて大気条件下で浸出できるほとんどの銅鉱物とは対照的に、黄銅鉱は難溶性鉱物であり、銅を溶液中に溶出させるためには高温と酸化条件が必要です。[ 25 ]これは、鉄と銅が1:1で存在することから生じる抽出の課題によるもので、[ 26 ]浸出速度が遅くなります。[ 25 ]高温高圧により溶液中に酸素が豊富になり、黄銅鉱の結晶格子を破壊するという点で反応速度が速くなります。[ 25 ]黄銅鉱に必要な酸化条件で温度を上昇させる湿式冶金プロセスは、加圧酸化浸出として知られています。高温の酸化条件下での黄銅鉱の典型的な反応系列は次のとおりです。

i) 2CuFeS 2 + 4Fe 2 (SO 4 ) 3 -> 2Cu 2+ + 2SO 4 2- + 10FeSO 4 +4S

ii) 4FeSO 4 + O 2 + 2H 2 SO 4 -> 2Fe 2 (SO 4 ) 3 +2H 2 O

iii) 2S + 3O 2 +2H 2 O -> 2H 2 SO 4

（全体）4CuFeS 2 + 17O 2 + 4H 2 O -> 4Cu 2+ + 2Fe 2 O 3 + 4H 2 SO 4 [ 25 ]

加圧酸化浸出は、特に低品位の黄銅鉱に有効です。これは、鉱石全体を処理するのではなく、「浮選から得られた濃縮物を処理」できるためです[ 25 ]。さらに、様々な鉱石に対して、乾式製錬の代替法として用いることもできます[ 25 ] 。銅抽出に関して、湿式製錬法が乾式製錬法（製錬） よりも優れている点としては、以下のものがあります。

  • 製錬コストの変動性
  • 場所によっては、製錬できる量が限られている
  • 製錬インフラの設置コストが高い
  • 高不純物濃縮物の処理能力
  • 低品位鉱床を現場で処理できるため回収率の向上
  • 輸送コストの低減（濃縮物の輸送が不要）
  • 銅生産コストの全体的な低下[ 25 ]

湿式冶金には利点があるものの、商業的には依然として課題に直面している。[ 26 ] [ 25 ]一方、製錬は銅の抽出において最も商業的に実行可能な方法であり続けている。[ 26 ]

参照

参考文献

ウィキメディア・コモンズには、黄銅鉱に関連するメディアがあります。
ウィキソースには、 1911 年のブリタニカ百科事典の記事「銅黄鉄鉱」のテキストがあります。
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